电子行业深度报告：AI终端变革之散热：性能跃升驱动散热系统升级

AI带来性能需求提升，而散热能力是性能提升的基础：端侧AI带来功能增加、性能要求提升。散热能力作为发挥芯片性能的核心保障，随着芯片计算能力/数据传输和摄像等能力的提升，以及设备空间需求不断提高，功耗的不断提升造成散热问题持续出现。以主芯片为例，A系列芯片散热设计功率从A14的6W提升至A18 Pro的8W，带来散热需求持续增加，骁龙也从2021年的5.3W提升至8W以上，联发科芯片功率也大幅提升。整体手机散热需求持续增长 散热是从里到外的系统工程：CPU等热源产生的热量，需要先采用热拓展装置扩展至更大表面积，该环节一般采用石墨膜。然后经由导热界面材料传导至热管或均热板，再传导至石墨膜后通过机壳等向外界转移。具体到手机上，导热界面材料/热管or均热板/石墨散热膜的组合是主要的散热方式。同时PCB也可承担一部分散热能力，因PCB和元件既需要增加耐热能力，也需要增加其导热能力。通过减少厚度/选择高热导率材料/增加面积有助于增加散热能力。 散热材料：导热界面材料（TIM）用于减少接触热阻，2022年全球市场规模为103亿元，中国市场规模43亿元，预计2022-2029年CAGR分别为7.4%和8.5%。下游消费电子占比47%，通讯占比接近40%。 VC均热板散热面积大，同时可以实现面散热，正在替代热管成为搭配石墨散热膜成为散热主材的主要方案，同时VC均热板在厚度/结构强度/吸液芯结构上需要进一步创新以提高性能，尤其是吸液芯的制造工艺有较大的创新空间。VC预计成为散热行业高速成长的细分方向，2024年全球VC均热板市场规模12.4亿美元，相比22年提升57%，预计2024-2032年CAGR为14.2%，2032年规模达到36亿美元。石墨散热膜设计灵活，预计继续在手机散热中发挥重要作用，多层石墨叠加增强散热能力的趋势正在不断提升石墨的需求量。 相关公司：领益智造、捷邦科技、中石科技、思泉新材、苏州天脉 风险提示：产品散热需求不及预期；技术发展不及预期；竞争加剧风险 表1：重点公司估值（2025/3/18） 1.性能提升的基础：散热能力持续提升 1.1.AI功能升级带来新增功能和性能需求 端侧AI对硬件的改造是全方位的，体现在功能增加、性能要求提升等方面。端侧AI有输入望改变人和消费电子终端以及终端与app的交互方式，对硬件的改造包含了感知/传输/处理能力的提升，落实到零部件升级上，我们认为可以分为三类。 1）感知能力提升去加强AI输入的便捷性，比如iPhone16系列标配相机控制键以加强视觉AI等能力启动的便捷性，大幅提升麦克风的信噪比能改善AI语音交互准确性等。 图1：iPhone 16相机控制按键 图2：iPhone16系列麦克风升级较大 2）处理和信号传输能力增强：如苹果论文《LLMinaflash》就提高针对端侧AI运行中内存限制下的解决方式等，我们认为硬件和软件方案需要同步提升以实现AI的高效运行。这方面的升级反应至Appleintelligence的设备限制上，仅支持A17Pro以及M系列芯片以上的设备。即使是云端运行的Agent模型，对设备的要求也较高，如智谱的AutoGLM中就提及，个人操作轨迹的数据在采集过程中受限于网络连接和最大并行速度而效率较低，非常消耗设备的内存。 图3：内存不够将严重影响端侧AI模型运行的延迟 1.2.散热问题随着性能水涨船高 散热能力是发挥芯片性能的核心保障，散热能力需要根据设计匹配功耗和设计。 对于消费者而言，可靠性和稳定性越强，使用体验感就越强。数据表明温度、湿度、灰尘是影响电子电气产品稳定性和可靠性的主要因素。当温度为70℃-80℃时，每上升10℃,其可靠性下降50%，而电子设备的失效有55%是温度超过允许值而引起的。若没有强大的散热能力，随着功耗的增加，设备将出现降频、发热和闪退等问题，体验将大打折扣。 图4：电子设备失效原因分析 散热也将反过来制约硬件的设计，散热能力的提升将为设计留出空间。智能手机内部，散热材料会占据相当的内部空间。若通过材料升级等方式提升散热效率，腾出的空间将为电池、主板、传感器等留下充足的提升空间。同样，韩媒TheElec报道，三星应苹果要求，开始研究新的LPDDR DRAM封装方式——独立封装。2010年起，iPhone就采用堆叠式封装（POP）方案，内存直接叠在SoC上通过Pitch连接以最大限度减少设备体积。但是PoP技术由于芯片过于靠近，端侧AI负载要求下带宽和散热问题严重。通过分开封装DRAM和SoC，可以增加I/O引脚数量，提高数据传输速率和并行数据通道数量，并改善散热性能，显著提高内存带宽并增强iPhone的AI能力。 图5：智能手机内部散热材料应用示例 图6：DRAM独立封装能改善PoP封装的散热性能 散热升级是功能创新的底层能力之一，随着性能和设备空间变化需求不断提高，会是一个持续出现并持续被解决的问题。数据处理过程中频繁的电信号转换和传递导致电流通过内部晶体管和电流，电阻的存在将电能转化为热能从而产生热量。散热问题的根源是手机越来越高的性能、越来越轻薄的形态和越来越紧凑的设计。功能模块增加挤占空间、性能提升、形态变化都会带来散热需求的大幅增加，也是散热行业需求和格局变化的关键节点。 表1：功能/性能变化对散热的影响 TDP随着SoC性能的提升趋势向上。TDP（散热设计功率）是散热系统设计的核心指标，代表着SoC对散热系统散热能力的要求。随着CPU和GPU等频率和算力提升以及NPU的算力快速增长，SoC对系统散热要求整体提升。2020年发布的A14TDP为6W，2024年发布的A18Pro芯片提升至8W。 表2：AppleA系列芯片部分参数 图7：安卓SoCTDP要求 2.散热是从里到外的系统工程 由内到外需要多环节进行热量传导。CPU或传感器等热源产生的热量，首先采用热拓展装置将局部热点产生的热量快速扩展至更大的表面积进行散热，以防局部过热的问题，这一环节多采用石墨膜。然后经过导热界面材料传导到热管或均温板，热管或均温板再将热量快速传导至石墨膜后再均匀散开，石墨膜在手机平面方向把热量传导到金属支架及手机机壳，最终实现热量向外界环境的转移。 图8：手机热管理装置示意图（部分环节） 目前电子产品主流的散热方式包括人工合成石墨散热膜、导热凝胶、热管、均热板、散热片、风扇、液冷等。各类电子产品可以根据内部空间、散热需求和成本预算等选择不同的散热方式组合。 表3：电子产品主流散热方式 具体到手机上，导热界面材料/热管or均热板/石墨散热膜的组合是主要的散热方式。由于手机对轻薄化、高性能、功能集成的要求高，一般不采用风扇和液冷方案。 同时单一的散热材料逐渐被多种散热组件构成的散热模组替代。传统的智能手机通常采用“导热界面材料+石墨膜”散热方案，近年来导热界面材料+石墨膜+均热板的方案已经成为中高端智能手机的主流选择。 表4：智能手机散热方案 热阻值是散热设计的核心参数。芯片安装在PCB上，IC产生的热量会流向散热材料和PCB。根据基尔霍夫定律可以估算流向散热器和PCB的热量：流过每一侧的热量和热阻值的倒数成正比。也就是说，通过使带散热器的一侧热阻尽可能低，流向散热器的热量比例就会增加；同样的，若PCB的散热能力有所增强，也可以通过降低热阻以提高流向其的热量比例。 PCB和元件散热既需要增加耐热能力，也需要增加其导热能力。元件端如一体成型功率电感不仅能助力小型化，还能适合高功率大电流的场景。而PCB也正在通过提高层压精度，埋铜增加散热能力等方式提高其散热能力。 图9：热流从IC上下传热 根据热预算进行热阻匹配设计，再进行各元件散热设计，减小厚度/选择高热导率材料/增加面积有助于减少热阻。热阻值的定义是物体两端温度差和热源功率的比值R=（T2-T1）/P，T1和T2分别为物体两端的温度，P为发热源的功率。参照A18Pro8W的TDP，假设80%流向散热片，芯片温度和最高环境温度分别是85/45℃，则散热片一侧的目标热阻是6.25K/W。而由于热阻=L/kA（L为材料厚度、K为材料的热导率，A为平板垂直于热流方向的截面积），也就是说厚度越小、材料热导率越大、散热面积越大，热阻越小。确定好目标热阻后，需要为各个元件设计散热目标，使得散热元件热阻的总和低于目标热阻。 图10：热流从IC上下传热 3.散热材料方案选择多样，VC均热板为核心路径 3.1.热界面材料建立热传导通道，需求稳健增长 导热界面材料（TIM）通过降低接触热阻，在元器件和散热器之间建立高效热传导通道。由于微电子材料表面和导热散热器之间存在极细微的凹凸不平的空隙，如果将它们直接安装在一起，则它们之间的有效接触面积较小，其余均为空气间隙，而空气为热的不良导体，导热系数极低，将使得电子元件与导热散热器件的接触热阻非常大，严重阻碍了热量的传导，最终造成导热散热器件效能低下。使用具有高导热性的导热界面材料填充满这些间隙，排除其中的空气，在电子元件和散热器间建立有效的热传导通道，可以大幅度降低接触热阻，提高导热系数，使散热器的作用得到充分地发挥，其中导热系数是核心参数（单位为W/m.K）。 图11：导热界面材料的作用 导热界面材料（TIM）需要综合考虑导热/绝缘/密封/稳定性等属性，同时需要不断提高导热系数。首先需要根据设备的使用场景、稳定性和寿命等因素选择合适热界面材料种类。相同种类同等厚度下的导热材料热导率越大越好，但是一般热导率越高越好，但是一般热导率越高的材料成本也越贵。 表5：主要热界面材料优缺点 热界面材料市场稳步增长，规模超百亿，下游以消费电子为主。根据QYResearch，2022年全球导热界面材料市场规模约103亿元，预计2029年接近170亿元，CAGR为7.4%。2022年中国导热界面材料市场规模约为43亿元，预计2029年约为54亿元，CAGR为8.45%。2023年，我国热界面材料下游主要应用领域为消费电子、新能源汽车、通信技术、医疗等领域。其中消费电子领域占比最重，占比为46.70%，通信设备领域占比为38.50%，是主要的下游应用。 图12：TIM材料市场规模（亿元） 图13：TIM材料下游应用以消费电子为主（2023年） 当时市场以美日德等企业为主。从行业竞争格局看，日本信越、美国道康宁、德国汉高、杜邦。富士高分子、莱尔德等是主要供应商，同时由于热界面材料应用广泛，供应相对分散。国内主要企业包括苏州天脉、中石科技、傲川科技、阿莱德等。 3.2.VC均热板：制伏SoC发热的核心方案 3.2.1.热管→均热板，点散热→面散热 热管利用工作介质在真空条件下低沸点的原理，实现常温下急速将热量从加热端传导到冷凝端，然后液体通过腔体内的毛细结构（吸液芯）再回流到发热区域，适用于需要将热量快速传导的场景，尤其适用于热量需要远端转移的场景。 图14：热管示意图 图15：热管工作原理 VC相比均热板。VC（真空腔均热板散热技术），其散热的基本原理与热管类似，同样是利用水的相变进行循环散热，热管只有单一方向的“线性”有效导热能力，而VC相当于从“线”到“面”的升级，可以将热量向四面八方传递，有效增强散热效率。 根据PConline资料，热导管散热的导热系数为5000～8000W/(m×，而VC导热系数则可以达到20000W/(m×以上。 图16：均热板示意图 图17：均热板工作原理 由于VC散热面积更大，可以覆盖更多热源区域达到整体散热，设计上也更加灵活，且VC更加轻薄，符合目前手机轻薄化、空间利用最大化的发展趋势。因此VC均热板替代热管，成为搭配石墨散热膜作为散热主材的主要方案。 3.2.2.VC均热板持续进化 VC均热板由上下金属壳板、支撑柱、真空腔体（蒸汽腔）、吸液芯和其中的液体（工质）组成。随着AI终端往高性能、高集成和轻薄化的方向发展，除了满足散热要求外，VC均热板进一步轻薄化、减重、可折叠是核心研发方向。 VC均热板由两种典型的传热路径，手机一般